Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Atom- und Molekülspektren im extremen Magnetfeld von Weißen Zwergen werden berechenbar

31.05.2017

Neue quantenchemische Methode schafft Grundlagen zur Identifikation von Atomen und Molekülen im Magnetfeld von Weißen Zwergen

Wenn Sterne ihre Energie verbraucht haben und sterben, werden sie in der Regel zu einem Weißen Zwerg. 10 bis 20 Prozent dieser Weißen Zwerge besitzen ein extrem starkes Magnetfeld, das bis zu 100.000 Tesla erreichen kann. Wie sich Atome und Moleküle in einem solchen Magnetfeld verhalten, ist bisher weitgehend unbekannt, besonders für die Astrophysik aber von großem Interesse.


Aufnahme eines sterbenden Sterns durch das Hubble-Weltraumteleskop: Während der Stern abkühlt und schrumpft, um dann ein Weißer Zwerg zu werden, stößt er seine Gashülle ab, die einige hunderttausend Jahre lang als planetarischer Nebel zu sehen ist.

Foto/©: NASA

Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben nun eine quantenchemische Methode entwickelt, um die Eigenschaften von Atomen und Molekülen in starken Magnetfeldern vorherzusagen. Anhand ihrer Berechnungen können sie theoretische Spektren erstellen, mit denen Astrophysiker die tatsächlich beobachteten Spektrallinien eines Weißen Zwergs vergleichen und analysieren können.

Starke Magnetfelder verändern die Elektronenstruktur von Atomen und Molekülen radikal. Weil aber solche starken Magnetfelder auf der Erde nicht erzeugt werden können, ist wenig darüber bekannt, wie sich Atome und Moleküle unter diesen Bedingungen tatsächlich verhalten, wie sie genau aufgebaut sind und welche Eigenschaften sie besitzen.

Insbesondere die Astrophysik interessiert sich für neue Daten auf diesem Gebiet, um die beobachteten elektromagnetischen Spektren von Weißen Zwergen zu interpretieren und damit Atome und Moleküle in ihrer Atmosphäre zu identifizieren. „Die Astrophysik benötigt theoretische Vorhersagen, weil sich die Spektren in einem Magnetfeld sehr stark verändern“, erklärt Dr. Stella Stopkowicz vom Institut für Physikalische Chemie der JGU.

Laborversuche können in solchen Fällen nicht herangezogen werden, weil selbst mit starken Magneten auf der Erde zerstörungsfrei höchstens 100 Tesla zu erreichen sind. Zum Beispiel ist das Magnetfeld der Erde etwa 60 Mikrotesla stark. Die Magnetresonanztomographie (MRT) zur medizinischen Bildgebung arbeitet mit Feldstärken zwischen 1,5 und 10 Tesla.

Theoretische Vorhersagen auch für elektronenreichere Atome und Moleküle

Bei nichtmagnetischen Weißen Zwergen konnten durch den Vergleich mit Laborergebnissen bereits verschiedene Atome und Moleküle identifiziert werden. Auch bei magnetischen Weißen Zwergen wurden bereits die Elemente Wasserstoff und Helium nachgewiesen. Die bislang für theoretische Vorhersagen verwendete quantenchemische Methode ist allerdings im Hinblick auf die Computerrechenzeit so teuer, dass sie für elektronenreichere Atome oder für Moleküle nicht praktikabel ist.

Von nichtmagnetischen Weißen Zwergen ist bekannt, dass auf ihnen auch andere Elemente wie Kohlenstoff, Silizium, Phosphor und Schwefel sowie vermutlich kleine Kohlenwasserstoffverbindungen vorkommen. Man weiß außerdem, dass Magnetfelder dazu tendieren, die Bindungsenergie von Molekülen zu erhöhen. Daher ist es wahrscheinlich, dass diese Atome und Moleküle auch bei magnetischen Weißen Zwergen zu finden sind.

Basis für entsprechende theoretische Vorhersagen ist die „Equation-of-Motion Coupled-Cluster“-Methode, die sich für den feldfreien Fall in quantenchemischen Berechnungen bewährt hat und die Florian Hampe und Stella Stopkowicz für die Behandlung von Atomen und Molekülen in einem Magnetfeld angepasst haben. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten, Grundlagenforschung für Atome und Moleküle in starken Magnetfeldern zu betreiben.

So wurde vor Kurzem eine völlig neue, dritte Form chemischer Bindungen – neben den beiden bekannten Formen der kovalenten Bindung und der Ionenbindung – entdeckt, die nur unter dem Einfluss eines starken Magnetfeldes auftritt und als „Perpendicular Paramagnetic Bonding“ bezeichnet wird. „Diese exotische Bindungsform konnte bisher auf der Erde nicht nachgewiesen werden, kann aber mit der neuen Methode genauer untersucht werden“, so Stopkowicz. „Wird ein Molekül in einem starken Magnetfeld stabiler oder wird es zerstört und welche Bindungen geht es ein? Es gibt dazu noch viele offene Fragen.“

Foto:
http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/09_phys_chemie_magnetfeld.jpg
Aufnahme eines sterbenden Sterns durch das Hubble-Weltraumteleskop: Während der Stern abkühlt und schrumpft, um dann ein Weißer Zwerg zu werden, stößt er seine Gashülle ab, die einige hunderttausend Jahre lang als planetarischer Nebel zu sehen ist.
Foto/©: NASA

Veröffentlichung:
Florian Hampe, Stella Stopkowicz
Equation-of-motion coupled-cluster methods for atoms and molecules in strong magnetic fields
The Journal of Chemical Physics, 18. April 2017
DOI: 10.1063/1.4979624

Weitere Information:
Dr. Stella Stopkowicz
Arbeitsgruppe Theoretische Chemie
Institut für Physikalische Chemie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-22706
Fax +49 6131 39-23895
E-Mail: stella.stopkowicz@uni-mainz.de
http://www.tc.uni-mainz.de/eng/304.php

Weitere Links:
http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4979624 (Article)
https://publishing.aip.org/publishing/journal-highlights/new-method-can-model-ch...

Petra Giegerich |

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala
20.04.2018 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Licht macht Ionen Beine
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Grösster Elektrolaster der Welt nimmt Arbeit auf

20.04.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

20.04.2018 | Physik Astronomie

Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas

20.04.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics